CN115566438A - 一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器，属于微波毫米波技术领域。该器件包括左旋圆极化馈电波导、右旋圆极化馈电波导、两个90°波导弯头、辐射波导、阶梯膜片。其中，两个馈电波导通过90°波导弯头连接辐射波导；辐射波导由方波导和十字形波导叠加构成，分为依次连接的输入段、极化分离/形成段、输出段；输入段设置波导壁将其等分为左右腔体，极化分离/形成段设置有阶梯膜片，至输出段时左右两部分腔体完全融合。本发明通过调整波导色散，显著扩展工作模式与高次模式之间的间隔，实现阶梯膜片波导双圆极化器的宽频带工作；此时，极化分离/形成段能够在短距离内实现90°相位差，有利于在降低器件的传输损耗，提高器件的紧凑化程度。

Description

一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器。

背景技术

随着卫星通信、遥控遥测技术的发展，需要对空间目标在不同极化方式和气候条件下进行跟踪测量。圆极化波具有抗云雨衰减、抗多径衰减、可消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变的影响等优点。因此，圆极化天线在通信、雷达、电子对抗、遥测遥感、天文及电视广播等领域越来越受到重视。

膜片型双圆极化器通过采用不同的馈入通道，可以产生不同旋向的圆极化波，实现波束的同时收发，在通信、制导、电子侦察等领域有着广泛应用。传统的阶梯膜片波导双圆极化器，主要由辐射波导、双圆极化阶梯膜片波导、左旋圆极化馈电波导、右旋圆极化馈电波导等组成。由于波导色散的原因，膜片型双圆极化器在宽频带内容易产生谐振，从而导致其电气性能急剧下降。因此，传统的阶梯膜片波导双圆极化器难以实现宽频带工作。而随着毫米波应用技术的发展如高分辨率成像技术发展对天馈系统提出更宽频带的工作要求。发展宽频带波导双圆极化器技术，消除传统的阶梯膜片波导双圆极化器的谐振现象，对与减少天线数量，降低成本，促进毫米波通信、遥控遥测技术的发展具有重要意义。

专利《一种结构紧凑的楔形渐变波导腔圆极化器》(CN103730737B)采用楔形渐变波导腔设计了一种紧凑型圆极化器。该圆极化器的输入输出端都是方波导，因此馈电时需要额外设置方-矩波导转换，存在使用不方便的缺陷。同时，输入端尺寸大于输出端口，在形成阵列天线时会导致天线单元间距过大，从而不利于控制栅瓣。

专利《一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器》(申请号201811614820)通过在方波导内部波导壁上设置宽度大于膜片的波导脊，消除了传统阶梯膜片双圆极化器存在的谐振现象。但是该双圆极化器中存在连续倾斜的波导过渡脊，且需要与台阶膜片保持稳定的位置关系，因此加工和安装精度要求高，难以保障器件在毫米波高频段使用时性能；同时，高精度的工艺实现要求也会导致器件的成本高。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明目的是在保持传统膜片型双圆极化器结构紧凑、性能稳定和易于实现的同时，消除传统的阶梯膜片波导双圆极化器的因高次模式出现而导致的谐振现象，实现膜片波导双圆极化器的宽频带工作。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器，其特征在于，该宽带阶梯膜片波导双圆极化器为左右对称结构，包括左旋圆极化馈电波导、右旋圆极化馈电波导、两个90°波导弯头、辐射波导、阶梯膜片。

所述左旋圆极化馈电波导和所述右旋圆极化馈电波导为结构相同、对称设置的矩形台阶波导，并分别通过一个90°波导弯头连接辐射波导，腔体部分整体呈T字型。该矩形台阶波导为阻抗匹配波导，实现标准波导之间与辐射波导之间的匹配。

所述辐射波导，由一个方波导和至少一个十字形波导叠加构成，且方波导与十字形波导的中轴线重合，方波导的边与十字形波导的臂平行；所述辐射波导分为依次连接的输入段、极化分离/形成段、输出段；其中，所述输入段中部设置波导壁将其等分为左右两部分腔体，并分别与两个90°波导弯头连通；所述极化分离/形成段设置有厚度一致的阶梯膜片，该阶梯膜片沿着电磁波向前传播的方向高度逐渐减小，至输出段时，左右两部分腔体完全融合。

进一步地，臂最长的十字形波导其臂长与90°波导弯头的宽边长度相同。

进一步地，所述辐射波导的横截面为对称多边形，每条边的长度不小于1mm。

进一步地，所述辐射波导的内壁直角处导圆角处理，以方便加工。

进一步地，所述阶梯膜片的厚度大于0.2mm，且小于1mm，以降低加工难度和降低驻波。

进一步地，所述宽带阶梯膜片波导双圆极化器采用传统数控车床进行加工制作，或者通过3D打印和注塑加工方式实现。

本发明的工作原理如下：电磁波从左旋圆极化馈电波导或右旋圆极化馈电波导的标准波导端口馈入，经过90°波导弯头进入辐射波导。其中辐射波导设置输入段的目的是方便加工装配；极化分离/形成段中由于阶梯膜片的存在，会导致进入的线极化波被分解为一对等幅正交的线极化波，且会使得形成正交线极化波具有不同的传播常数。当波束传播过阶梯膜片后，相位差达到90度，实现了不同线极化向圆极化波的转换。由于馈入端口的不同，会导致波束在垂直方式和水平方向的相位差存在超前或者滞后的现象，从而在输出端口形成对应的左旋或右旋圆极化波。较先前设计不同的是，本发明提出的圆极化输出波导通过增加辐射波导边界的个数，可以调整波导色散，大大扩展工作模式与相邻高次模式之间的间隔。同时，通过调整阶梯膜片的尺寸，对工作模式与相邻高次模式的模式间隔进一步扩大，使得提出的双圆极化器在宽频带内都能保持单模工作，解决传统膜片圆极化器在高频带内因高次模式出现导致谐振，工作带宽有限的不足。

本发明技术方案，具有如下优点：

1本发明通过调整波导色散，显著扩展工作模式与高次模式之间的间隔，从而解决传统膜片圆极化器在宽频带内因高次模式存在导致谐振，实现阶梯膜片波导双圆极化器的宽频带工作。

2本发明因为十字波导的存在，膜片引入后使得电磁波进入辐射波导的极化分离/形成段后在不同的极化方向上的传播常数差别大，可以在短距离内实现90°相位差，有利于在降低器件的传输损耗，提高器件的紧凑化程度。

3本发明的输出端口为由方波导和十字波导叠加构成，和标准圆波导、方波导均具有很高的相似性，与双圆极化天线的常见接口对接方便。

附图说明

图1是本发明实施例腔体部分示意图；

图2是本发明实施例腔体部分剖视图；

图3是本发明实施例的整体结构示意图；

图4是本发明实施例的辐射波导腔体部分示意图

图5是本发明辐射波导由方波导和十字波导叠加构成的示意图；

图6是本发明实施例端口电压驻波系数结果图示；

图7是本发明实施例端口隔离结果图示；

图8是本发明实施例轴比结果图示。

附图标记说明：1.辐射波导；11.输出段；12.极化分离/形成段；13.输入段；2.阶梯膜片；3.左旋圆极化馈电波导；4.右旋圆极化馈电波导；5.90°波导弯头。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种K波段宽带阶梯膜片波导双圆极化器，如图1-图2所示。该宽带阶梯膜片波导双圆极化器为左右对称结构，包括左旋圆极化馈电波导、右旋圆极化馈电波导、两个90°波导弯头、辐射波导、阶梯膜片。

所述左旋圆极化馈电波导和所述右旋圆极化馈电波导为结构相同、对称设置的矩形台阶波导，并分别通过一个90°波导弯头连接辐射波导，腔体部分整体呈T字型。其中，矩形台阶波导为阻抗匹配波导，其输入段与标准矩形波导BJ220的尺寸相同，输出段与90°波导弯头的截面尺寸相同，中段阶梯波导的宽边*窄边*长度分别为11.8mm*5.8mm*5mm，90°波导弯头的截面的尺寸为11.4mm*5.3mm。

本实施例中的辐射波导，由一个方波导和一个十字形波导叠加构成，如图5(a)所示，且方波导与十字形波导的中轴线重合，方波导的边与十字形波导的臂平行；图5(b)所示为一个方波导和两个十字形波导叠加的辐射波导示例。本实施例中，方波导的边长为9.2mm，十字波导的臂长为11.4mm、宽为5mm；辐射波导的内壁直角处倒圆角处理，倒角半径为1mm。

如4所示，辐射波导分为依次连接的输入段、极化分离/形成段、输出段，长度分别为2.3mm、16.7mm、7.7mm；其中，所述输入段中部设置波导壁将其等分为左右两部分腔体，并分别与两个90°波导弯头连通；所述极化分离/形成段设置有厚度一致的阶梯膜片，该阶梯膜片沿着电磁波向前传播的方向高度逐渐减小，至输出段时，左右两部分腔体完全融合。波导壁及阶梯膜片的厚度为0.8mm，从输入段至输出段，阶梯膜片各段的高*长依次为、7.6mm*1.3mm、4.8mm*4.2mm、3mm*5.4mm、1.6mm*5.8mm。本发明的辐射波导将方波导中的基模TE₁₀模式与相邻的高阶模式TM₀₁和TE₂₀模式的模式间隔进行扩大，能在宽频带内实现方波导模式的单模传输，进而消除了传统的阶梯隔片波导双圆极化器在高频因为高阶模式出现导致的谐振现象。

如图3所示，本实施例的实物仅由三部分组成：沿中心对称剖开的圆极化馈电波导和90°波导弯头上下两个部分、辐射波导部分。为了保证实施例的组装精度，三段部分之间安装了定位销钉。通过螺钉的方式就能实现全金属结构宽带四路双圆极化功分器的装配。显然，本实施例结构简单，容易加工和装配。

基于上述实施例进行仿真，端口反射性能如图6所示。在17-24GHz的带宽内，设计的双圆极化器驻波小于-20dB，表明了本发明的宽带阶梯膜片波导双圆极化器能实现电磁波的高效传输。

输出波束轴比性能如图8所示，在16.5-23.5GHz的频率范围内，双圆极化器输出圆极化波束的轴比为0.2dB,表明了本发明的宽带阶梯膜片波导双圆极化器能输出高纯度的圆极化波。

输入端口隔离性能如图7所示，在16.7-24GHz的频率范围内，双圆极化器两个输出端口之间的隔离度大于20dB。其中在18.6-23.2GHz的频率范围内，双圆极化器两个输出端口之间的隔离度大于30dB。表明了本发明的宽带阶梯膜片波导双圆极化器具有良好的端口隔离度。

综上，本发明的一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器解决了现有双圆极化器的工作带宽不能覆盖整个波导工作频段的问题，大大提高了阶梯隔片波导双圆极化器轴比、电压驻波比、端口隔离等性能指标。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器，其特征在于，该宽带阶梯膜片波导双圆极化器为左右对称结构，包括左旋圆极化馈电波导、右旋圆极化馈电波导、两个90°波导弯头、辐射波导、阶梯膜片；

所述左旋圆极化馈电波导和所述右旋圆极化馈电波导为结构相同、对称设置的矩形台阶波导，并分别通过一个90°波导弯头连接辐射波导，腔体部分整体呈T字型；

所述辐射波导，由一个方波导和至少一个十字形波导叠加构成，且方波导与十字形波导的中轴线重合，方波导的边与十字形波导的臂平行；

所述辐射波导分为依次连接的输入段、极化分离/形成段、输出段；其中，所述输入段中部设置波导壁将其等分为左右两部分腔体，并分别与两个90°波导弯头连通；所述极化分离/形成段设置有厚度一致的阶梯膜片，该阶梯膜片沿着电磁波向前传播的方向高度逐渐减小，至输出段时，左右两部分腔体完全融合。

2.如权利要求1所述的一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器，其特征在于，辐射波导中，臂最长的十字形波导其臂长与90°波导弯头的宽边长度相同。

3.如权利要求1或2所述的一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器，其特征在于，所述阶梯膜片的厚度大于0.2mm，且小于1mm。

4.如权利要求3所述的一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器，其特征在于，所述辐射波导的横截面为对称多边形，每条边的长度不小于1mm。

5.如权利要求4所述的一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器，其特征在于，所述辐射波导的内壁直角处导圆角处理。

6.如权利要求4所述的一种宽带阶梯膜片波导双圆极化器，其特征在于，所述宽带阶梯膜片波导双圆极化器采用数控车床进行加工制作，或者通过3D打印和注塑加工方式实现。

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